JP2023023338A - Manufacturing method of molding and molding device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、造形体の製造方法、および、造形装置に関する。 The present invention relates to a manufacturing method of a modeled body and a modeling apparatus.
従来から、金属を含んだ造形層を積層させて造形体を製造する造形体の製造方法が知られている(例えば、特許文献1、2)。一般的に、積層される造形層は、レーザ光の集光点に供給されることで溶融する金属粉末を凝固させることで形成される。 Conventionally, there has been known a method for manufacturing a shaped body by stacking shaping layers containing metal (for example, Patent Literatures 1 and 2). In general, the laminated modeling layers are formed by solidifying metal powder that is melted by being supplied to the focal point of the laser beam.
しかしながら、異なる種類の造形層を積層させて造形体を形成する場合、造形層の熱膨張係数の違いによってクラックが発生するおそれがある。クラックが発生すると、造形体の強度が低下する。この問題は、上記先行技術によっても解決することは困難であった。 However, when forming a modeled body by stacking different types of modeling layers, cracks may occur due to differences in thermal expansion coefficients of the modeling layers. The occurrence of cracks reduces the strength of the modeled body. This problem has been difficult to solve even with the above prior art.
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、造形体の製造方法において、造形体の強度低下を抑制する技術を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to provide a technique for suppressing a decrease in the strength of a shaped body in a manufacturing method of the shaped body.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 The present invention has been made to solve at least part of the above problems, and can be implemented as the following modes.
(1)本発明の一形態によれば、金属を含んだ造形層を積層させて造形体を製造する造形体の製造方法が提供される。この造形体の製造方法は、第1の金属粉末を溶融し凝固させることで、基材の上に第1造形層を形成する第1工程と、前記第1造形層を加熱する第2工程と、前記第1造形層よりも熱膨張係数が小さい第2造形層を形成する第3工程であって、第2の金属粉末を溶融し凝固させることで、加熱された前記第1造形層の上に前記第2造形層を形成する第3工程と、を備える。 (1) According to one aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a shaped body by laminating shaping layers containing metal to manufacture a shaped body. The manufacturing method of this shaped body includes a first step of forming a first shaped layer on a substrate by melting and solidifying a first metal powder, and a second step of heating the first shaped layer. and a third step of forming a second modeling layer having a coefficient of thermal expansion smaller than that of the first modeling layer, wherein the second metal powder is melted and solidified to form the heated first modeling layer. and a third step of forming the second modeling layer.
この構成によれば、造形体の製造方法では、基材の上に第1造形層を形成する第1工程の後、第2工程において第1造形層を加熱し、第3工程において、熱膨張係数が小さい第2造形層を加熱された第1造形層の上に形成し、造形体を製造する。これにより、第2造形層が形成された後、造形体の温度が低下するときの第1造形層と第2造形層との熱収縮差が小さくなるため、第2造形層の収縮歪みによって第1造形層で発生するクラックの数を低減することができる。したがって、クラックによる造形体の強度低下を抑制することができる。 According to this configuration, in the manufacturing method of the modeled body, after the first step of forming the first modeled layer on the base material, the first modeled layer is heated in the second step, and the thermal expansion is performed in the third step. A second modeling layer with a smaller modulus is formed on the heated first modeling layer to produce a shaped body. As a result, after the second modeling layer is formed, the difference in thermal contraction between the first modeling layer and the second modeling layer becomes smaller when the temperature of the modeled body drops, so that the contraction strain of the second modeling layer causes the second modeling layer to shrink. The number of cracks generated in one modeling layer can be reduced. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the strength of the modeled body due to cracks.
(2)上記形態の造形体の製造方法において、前記第1工程では、前記第1の金属粉末にレーザ光を照射することで、前記第1の金属粉末を溶融し、前記第3工程では、前記第1工程において前記第1の金属粉末に照射されるレーザ光よりも強度が小さいレーザ光を前記第2の金属粉末に照射することで、前記第2の金属粉末を溶融してもよい。この構成によれば、第3工程では、第2の金属粉末に照射されるレーザ光の強度を、第1工程において第1の金属粉末に照射されるレーザ光の強度より小さくする。これにより、第2造形層の温度は上昇しにくくなるため、第2造形層を形成しているときの第1造形層の温度と第2造形層の温度との差を小さくすることができる。したがって、造形体の温度が低下したときの第1造形層と第2造形層との熱収縮差が小さくなるため、クラックによる造形体の強度低下を抑制することができる。 (2) In the manufacturing method of the shaped body of the above aspect, in the first step, the first metal powder is melted by irradiating the first metal powder with a laser beam, and in the third step, The second metal powder may be melted by irradiating the second metal powder with a laser beam having a lower intensity than the laser beam with which the first metal powder is irradiated in the first step. According to this configuration, in the third step, the intensity of the laser beam with which the second metal powder is irradiated is made smaller than the intensity of the laser beam with which the first metal powder is irradiated in the first step. As a result, the temperature of the second modeling layer is less likely to rise, so the difference between the temperature of the first modeling layer and the temperature of the second modeling layer can be reduced when the second modeling layer is being formed. Therefore, since the difference in thermal contraction between the first modeling layer and the second modeling layer when the temperature of the modeled body drops, it is possible to suppress the reduction in the strength of the modeled body due to cracks.
(3)上記形態の造形体の製造方法において、前記第1工程は、前記基材上に前記第1造形層の第1層を形成する第1層形成工程と、前記第1造形層の第2層を前記第1層の上に形成する第2層形成工程であって、熱膨張係数が、前記第2造形層より大きく、かつ、前記第1層より小さい前記第2層を形成する第2層形成工程と、を含み、前記第3工程では、前記第2層の上に、前記第2造形層を形成してもよい。この構成によれば、第1工程の第1層形成工程では、基材上に第1層を形成し、第1工程の第2層積層工程では、第1層の上に、熱膨張係数が、第2造形層より大きく、かつ、第1層より小さい第2層と、を形成する。その後、第3工程では、第2層の上に、第2造形層を形成する。これにより、第1造形層の第2造形層側と第2造形層との熱収縮差をさらに小さくすることができるため、造形体の温度が低下したときの第2造形層の収縮歪みによって第1造形層で発生するクラックの数をさらに低減することができる。したがって、造形体の強度低下をさらに抑制することができる。 (3) In the method for manufacturing a shaped body of the above aspect, the first step includes a first layer forming step of forming a first layer of the first shaping layer on the base material, and a first layer forming step of forming the first layer of the first shaping layer. A second layer forming step of forming two layers on the first layer, wherein the coefficient of thermal expansion of the second layer is larger than that of the second modeling layer and smaller than that of the first layer. and a two-layer forming step, and in the third step, the second modeling layer may be formed on the second layer. According to this configuration, in the first layer forming step of the first step, the first layer is formed on the base material, and in the second layer laminating step of the first step, the thermal expansion coefficient is formed on the first layer , and a second layer larger than the second shaping layer and smaller than the first layer. Then, in a third step, a second modeling layer is formed on the second layer. As a result, the difference in thermal contraction between the second modeling layer side of the first modeling layer and the second modeling layer can be further reduced. The number of cracks generated in one modeling layer can be further reduced. Therefore, it is possible to further suppress a decrease in the strength of the modeled body.
(4)上記形態の造形体の製造方法において、前記第2層形成工程では、前記第1の金属粉末と前記第2の金属粉末との混合粉末を溶融し凝固することで、前記第2層を形成してもよい。この構成によれば、第2層を形成するとき、第1の金属粉末と第2の金属粉末との混合粉末を溶融し凝固させる。これにより、熱膨張係数が、第2造形層より大きく、かつ、第1層より小さい第2層を容易に形成することができる。したがって、第1造形層の第2造形層側と第2造形層との熱収縮差を容易に小さくすることができるため、クラックによる造形体の強度低下を容易に抑制することができる。 (4) In the manufacturing method of the shaped body of the above aspect, in the second layer forming step, the mixed powder of the first metal powder and the second metal powder is melted and solidified to form the second layer. may be formed. According to this configuration, when forming the second layer, the mixed powder of the first metal powder and the second metal powder is melted and solidified. This makes it possible to easily form the second layer whose coefficient of thermal expansion is larger than that of the second modeling layer and smaller than that of the first layer. Therefore, it is possible to easily reduce the difference in thermal contraction between the second modeling layer side of the first modeling layer and the second modeling layer, so that it is possible to easily suppress deterioration in the strength of the modeled body due to cracks.
(5)上記形態の造形体の製造方法において、前記第2層形成工程では、前記第2層の厚みが厚くなるにしたがって前記第1の金属粉末の含有率が小さくなる前記混合粉末を溶融し凝固することで、前記第2層を形成してもよい。この構成によれば、第2層を形成するとき、第2層の厚みが厚くなるにしたがって第1の金属粉末の含有率が小さくなる混合粉末を溶融し凝固させる。これにより、第1造形層の特性を、基材側から第2造形層側にかけて、第2造形層の特性に徐々に近づけることができる。したがって、造形体の温度が低下したときの第2造形層の収縮歪みを緩和しやすくなるため、クラックが発生しにくくなり、造形体の強度低下をさらに抑制することができる。 (5) In the manufacturing method of the shaped body of the above aspect, in the second layer forming step, the mixed powder is melted so that the content of the first metal powder decreases as the thickness of the second layer increases. The second layer may be formed by solidifying. According to this configuration, when forming the second layer, the mixed powder in which the content of the first metal powder decreases as the thickness of the second layer increases is melted and solidified. As a result, the properties of the first modeling layer can gradually approach the properties of the second modeling layer from the substrate side to the second modeling layer side. Therefore, since the contraction strain of the second modeling layer when the temperature of the modeled body drops, cracks are less likely to occur, thereby further suppressing a decrease in the strength of the modeled body.
(6)本発明の別の形態によれば、金属を含んだ造形層を積層させて造形体を製造する造形装置が提供される。この造形装置は、複数種の金属粉末を基材の上に供給する粉末供給部と、前記基材の上の金属粉末を加熱し溶融させる粉末加熱部と、溶融した金属粉末が凝固して形成される造形層を加熱する造形層加熱部と、を備える。この構成によれば、造形装置は、造形層加熱部によって、溶融した金属粉末が凝固して形成される造形層を加熱することができる。これにより、造形体を製造するとき、加熱された造形層の上で、金属粉末を溶融し凝固させて造形層を形成することで、隣接する造形層間での熱膨張係数の違いによって生じる熱収縮差を小さくすることができる。したがって、第2造形層の収縮歪みによって第1造形層に発生するクラックの数を低減することができるため、造形体の強度低下を抑制することができる。 (6) According to another aspect of the present invention, there is provided a modeling apparatus for manufacturing a modeled body by laminating modeling layers containing metal. This molding apparatus includes a powder supply section that supplies a plurality of types of metal powder onto a base material, a powder heating section that heats and melts the metal powder on the base material, and a metal powder that solidifies to form a metal powder. and a modeling layer heating unit for heating the modeling layer. According to this configuration, the modeling apparatus can heat the modeling layer formed by solidifying the molten metal powder by the modeling layer heating section. As a result, when manufacturing the modeled body, the metal powder is melted and solidified on the heated modeled layer to form the modeled layer. can reduce the difference. Therefore, it is possible to reduce the number of cracks generated in the first modeling layer due to shrinkage strain of the second modeling layer, so that it is possible to suppress a decrease in the strength of the modeled body.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、造形体の製造方法で製造された造形体、造形装置を含むシステム、これら装置およびシステムの制御方法、これら装置およびシステムにおいて造形体の製造方法を実行させるコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、そのコンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。 It should be noted that the present invention can be implemented in various aspects, for example, a modeled body manufactured by a modeled body manufacturing method, a system including a modeling device, a control method for these devices and systems, and a method for controlling these devices and systems. can be realized in the form of a computer program for executing the method for manufacturing a modeled body, a server device for distributing the computer program, a non-temporary storage medium storing the computer program, or the like.
<第1実施形態>
図1は、第1実施形態の造形装置1の概略構成を示す模式図である。図2は、第1実施形態の造形装置1での造形体5の製造方法を説明する図である。造形装置1は、レーザ出射部10と、ベースプレート20と、原料供給部31と、ノズル部40と、制御部50と、を備える。本実施形態の造形装置1によって造形される造形体5は、図1に示すように、基材6と、第1造形層7と、第2造形層8と、を備える。なお、説明の便宜上、図1および図2では、本実施形態の造形装置1において、鉛直方向をz軸方向とする。また、z軸に垂直な方向をx軸方向とし、z軸とx軸とに垂直な方向をy軸方向とする。
<First embodiment>
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a modeling apparatus 1 according to the first embodiment. FIG. 2 is a diagram illustrating a method for manufacturing the modeled
レーザ出射部10は、図示しないレーザ光源を有する。レーザ出射部10は、制御部50と電気的に接続されており、制御部50が出力する指令に応じて、レーザ光源を用いてレーザ光Lzを出射する。レーザ出射部10が出射するレーザ光Lzは、ノズル部40を介して、ベースプレート20に照射される。本実施形態では、レーザ光Lzは、ノズル部40からz軸のマイナス方向に向けて照射される。レーザ出射部10は、特許請求の範囲の「粉末加熱部」に相当する。
The
ベースプレート20は、レーザ光Lzが照射される方向、具体的には、ノズル部40の下方(z軸のマイナス方向)に配置されている平板形状の部材である。本実施形態では、ベースプレート20は、プリハードン鋼から形成されている。ベースプレート20には、通電によって発熱するヒータ21が内蔵されている。ヒータ21は、制御部50と電気的に接続されており、制御部50の指令に応じて、発熱する。
The
原料供給部31は、ノズル部40に複数種の金属粉末Mを供給する。原料供給部31は、制御部50と電気的に接続されており、制御部50が出力する指令に応じて、ノズル部40に供給される金属粉末Mの種類や量、供給タイミングを調整する。本実施形態では、原料供給部31は、図示しない金属粉末貯留部に接続されている。原料供給部31は、図示しないガス供給部が供給するキャリアガス、例えば、アルゴンガスとともに、金属粉末Mをノズル部40に供給する。原料供給部31は、特許請求の範囲の「粉末供給部」に相当する。
The raw
ノズル部40は、ノズル41と、駆動部42と、を備える。ノズル41は、ベースプレート20とレーザ出射部10との間に配置されている。ノズル41は、図2に示すように、二重管構造を有しており、内管部43と、外管部44とを有する。内管部43は、z軸のマイナス方向に向かうにしたがって、外径が小さくなるように形成されている管状部材である。内管部43は、レーザ出射部10から出射されたレーザ光Lzが通るように形成されている。本実施形態では、内管部43の内側を通るレーザ光Lzの周囲には、レーザ光Lzを囲むようにシールドガスG1が供給されている。外管部44は、内管部43の外側に配置されている管状部材である。外管部44は、z軸のマイナス方向に向かうにしたがって、外径が小さくなるように形成されている。内管部43と外管部44との間には、原料供給部31が供給する金属粉末Mが通る通路45が形成されている。通路45を通る金属粉末Mは、上述したキャリアガス(図2の符号G2参照)とともにベースプレート20の上に供給される。
The
駆動部42は、ノズル41に連結されている。駆動部42は、制御部50と電気的に接続されており、制御部50の指令に応じて、ノズル41を駆動する駆動力を発生する。本実施形態では、ノズル41は、ベースプレート20に対してz軸方向、x軸方向、および、y軸方向のいずれの方向にも移動可能に設けられている。これにより、ベースプレート20の表面20aの任意の場所に、造形体5を形成することができる。
The driving
制御部50は、ROM、RAM、および、CPUを含んで構成されるコンピュータである。制御部50は、レーザ出射部10と、原料供給部31と、駆動部42とのそれぞれと、電気的に接続しており、事前に入力されているコンピュータプログラムに応じて、これらの動作を制御する。具体的には、制御部50は、レーザ出射部10から出射されるレーザ光Lzの出射タイミングやレーザ光Lzの強度を制御する。制御部50は、ベースプレート20にヒータ21の発熱タイミングや発熱量を制御する。制御部50は、原料供給部31が供給する金属粉末の種類や供給量、供給タイミングなどを制御する。制御部50は、駆動部42によるノズル41の移動を制御する。
The
次に、本実施形態の造形体5の製造方法を説明する。本実施形態の造形体5の製造方法は、例えば、指向性エネルギ堆積方式(デポジション方式)による製造方法である。指向性エネルギ堆積方式では、ベースプレート20に照射されるレーザ光Lzの集光点に、キャリアガスG2によって金属粉末Mを供給することで、レーザ光Lzによって溶融された金属粉末Mを基材6の上に堆積させて、任意の形状の造形体5を造形する。基材6は、造形体5の製造方法とは異なる方法で製造された部材であってもよいし、上述した指向性エネルギ堆積方式によって金属粉末から形成された既造形体であってもよい。本実施形態では、基材6は、マルエージング鋼から形成されている。なお、造形体5の製造方法は、指向性エネルギ堆積方式に限定されず、第1造形層7や第2造形層8を形成する金属を一旦溶融して凝固させることで、任意の形状の造形体5を造形することが可能な方法であればよい。
Next, a method for manufacturing the modeled
最初に、ベースプレート20上に配置されている基材6の表面60に第1造形層7を形成する(第1工程)。制御部50は、レーザ出射部10によって、基材6の表面60に向けてレーザ光Lzを出射しつつ、原料供給部31によって、基材6の表面60のレーザ光Lzが照射されている部分に、第1造形層7の材料である第1の金属粉末を供給する。本実施形態では、第1の金属として、熱膨張係数が11.9×10-6(1/℃)の高速度工具鋼を用いる。高速度工具鋼の粉末は、レーザ光Lzのエネルギによって溶融したのち、基材6の表面60において凝固する。これにより、基材6の表面60上に第1造形層7が形成される。
First, the
次に、第1造形層7を加熱しつつ(第2工程)、第1造形層7の表面70に第2造形層8を形成する(第3工程)。制御部50は、ヒータ21に電力を供給し、発熱させる。ヒータ21によって発生した熱は、ベースプレート20と基材6を介して第1造形層7に伝わるため(図の点線矢印H1参照)、第1造形層7の温度が上昇する。本実施形態では、制御部50は、第1造形層7の温度が200℃となるように、ヒータ21に電力を供給する。
Next, while heating the first modeling layer 7 (second step), the
第1造形層7が200℃になっている状態で、制御部50は、原料供給部31を制御し、第2造形層8の材料である第2の金属粉末をレーザ光Lzに供給する。本実施形態では、第2の金属として、熱膨張係数が10.1×10-6(1/℃)のマルエージング鋼を用いる。本実施形態では、第2造形層8を形成するとき、制御部50は、レーザ出射部10を制御し、第1造形層7を形成するときのレーザ光Lzの強度より小さいレーザ光Lzを第1造形層7の表面70に照射する。制御部50は、原料供給部31によって、第1造形層7の表面70のレーザ光Lzが照射されている部分に、マルエージング鋼の粉末を供給する。マルエージング鋼の粉末は、レーザ光Lzのエネルギによって溶融されることで、第1造形層7の表面70には、マルエージング鋼のメルトプール80が形成される。このマルエージング鋼のメルトプール80が凝固することで、第1造形層7の表面70の上に第2造形層8が形成され、造形体5が製造される。
While the
次に、本実施形態の造形体5の製造方法の効果について説明する。最初に、条件が異なる3つの造形体の製造方法のそれぞれによって製造された造形体の状態を評価する。具体的には、ベースプレートの上に、基材と、第1造形層と、第2造形層とを積層することで形成される造形体について、第2造形層を形成するときの第1造形層の温度条件を変化させた造形体の断面を比較する。3つの造形体の製造方法のぞれぞれでは、指向性エネルギ堆積方式によって、出力が750Wのレーザ光に、供給量0.08g/sの金属粉末(キャリアガス流量25L/min)を供給し、直方体形状の造形体を形成した。
Next, the effect of the manufacturing method of the modeled
図3は、比較例の造形体A5の断面写真である。図3には、ベースプレートBP20上に形成されている造形体A5が示されている。造形体A5は、基材A6と、第1造形層A7と、第2造形層A8とを備えている。造形体A5を製造する比較例の製造方法では、第2造形層A8を形成するとき、第1造形層A7の温度を調整していない。図3に示すように、造形体A5には、第1造形層A7に、2か所のクラックCr1が確認できる。 FIG. 3 is a cross-sectional photograph of a molded body A5 of a comparative example. FIG. 3 shows a modeled body A5 formed on the base plate BP20. The modeled body A5 includes a base material A6, a first modeled layer A7, and a second modeled layer A8. In the manufacturing method of the comparative example for manufacturing the modeled body A5, the temperature of the first modeled layer A7 is not adjusted when the second modeled layer A8 is formed. As shown in FIG. 3, two cracks Cr1 can be confirmed in the first model layer A7 of the model A5.
図4は、第1の実施例の造形体B5の断面写真である。図4には、ベースプレートBP20上に形成されている造形体B5が示されている。造形体B5は、基材B6と、第1造形層B7と、第2造形層B8とを備えている。造形体B5を製造する第1の実施例の製造方法では、第2造形層B8を形成するとき、第1造形層B7を100℃に維持している。図4に示すように、造形体B5には、第1造形層B7に、クラックCr2が形成されているが、比較例の造形体A5に比べ、クラックの数や大きさが小さくなることが確認された。 FIG. 4 is a cross-sectional photograph of the molded body B5 of the first example. FIG. 4 shows a modeled body B5 formed on the base plate BP20. The modeled body B5 includes a base material B6, a first modeled layer B7, and a second modeled layer B8. In the manufacturing method of the first embodiment for manufacturing the modeled body B5, the temperature of the first modeled layer B7 is maintained at 100° C. when the second modeled layer B8 is formed. As shown in FIG. 4, cracks Cr2 are formed in the first modeling layer B7 of the modeled body B5, and it is confirmed that the number and size of the cracks are smaller than those of the modeled body A5 of the comparative example. was done.
図5は、第2の実施例の造形体C5の断面写真である。図5には、ベースプレートBP20上に形成されている造形体C5が示されている。造形体C5は、基材C6と、第1造形層C7と、第2造形層C8とを備えている。造形体C5を製造する第2の実施例の製造方法では、第2造形層C8を形成するとき、第1造形層C7を200℃に維持している。図5に示すように、第1造形層C7には、図3や図4の断面写真で確認されたようなクラックは、確認されなかった。 FIG. 5 is a cross-sectional photograph of the molded body C5 of the second example. FIG. 5 shows a modeled body C5 formed on the base plate BP20. The modeled body C5 includes a base material C6, a first modeled layer C7, and a second modeled layer C8. In the manufacturing method of the second embodiment for manufacturing the modeled body C5, the temperature of the first modeled layer C7 is maintained at 200° C. when the second modeled layer C8 is formed. As shown in FIG. 5, no cracks as seen in the cross-sectional photographs of FIGS. 3 and 4 were found in the first modeling layer C7.
次に、図3から図5に示した造形体のそれぞれにおける、第1造形層と第2造形層との熱収縮差について説明する。第1造形層と第2造形層との熱収縮差は、第2造形層の形成が終了したときの温度と、第2造形層の形成が終了してから一定の時間が経過したときの温度を用いて、第1造形層と第2造形層のそれぞれの熱収縮量から求める。造形層の熱収縮量は、以下の式(1)を用いて算出される。
ΔL=α×(T1-T2)×L ・・・(1)
ΔL:熱収縮量(μm)
α:熱膨張係数(×10-6/℃)
T1:第2造形層の形成が終了したときの温度(℃)
T2:第2造形層の形成が終了してから一定の時間が経過したときの温度(℃)
L:直方体形状の造形体の1辺の長さ(mm)
Next, the thermal contraction difference between the first modeling layer and the second modeling layer in each of the shaped bodies shown in FIGS. 3 to 5 will be described. The difference in thermal contraction between the first modeling layer and the second modeling layer is the temperature when the formation of the second modeling layer is completed and the temperature when a certain time has passed since the formation of the second modeling layer is completed. is obtained from the amount of thermal shrinkage of each of the first modeling layer and the second modeling layer. The thermal contraction amount of the modeling layer is calculated using the following formula (1).
ΔL=α×(T1−T2)×L (1)
ΔL: Thermal contraction amount (μm)
α: Thermal expansion coefficient (×10 −6 /° C.)
T1: temperature (°C) when the formation of the second modeling layer is completed
T2: Temperature (°C) after a certain period of time has elapsed since the formation of the second modeling layer was completed
L: length of one side of the cuboid shaped body (mm)
図6は、造形体の表面温度の時間変化を説明する図である。図6は、第2造形層の表面温度の時間変化を示した図であり、第2造形層の形成終了時(図6での時間0分)から、13分までの温度の時間変化を示している。第1造形層と第2造形層との熱収縮差を求めるにあたって、最初に、第2造形層の形成終了時の第2造形層の温度T1を算出する。図6に示す温度の時間変化のデータを用いて、第2造形層の形成が終了したときの温度T1を外挿によって求めた以下の温度が、第2造形層の温度T1となる。
比較例(温度調整なし):217℃
第1の実施例(温度100℃):152℃
第2の実施例(温度200℃):127℃
FIG. 6 is a diagram for explaining temporal changes in the surface temperature of the modeled body. FIG. 6 is a diagram showing changes over time in the surface temperature of the second modeling layer, showing changes over time in temperature from the end of formation of the second modeling layer (
Comparative example (no temperature adjustment): 217°C
First example (
Second example (
第2造形層の形成が終了してから一定の時間が経過したときの第2造形層の温度T2は、図6に示す第2造形層の形成終了から3分後の温度を用いた。また、第1造形層の温度T2は、第2造形層の形成終了から3分後の以下の温度を用いた。
比較例:41℃
第1の実施例:102℃
第2の実施例:201℃
As the temperature T2 of the second modeling layer when a certain period of time has elapsed since the formation of the second modeling layer was completed, the
Comparative example: 41°C
First example: 102°C
Second example: 201°C
図7は、造形体の熱収縮差の違いを説明する図である。図7は、図6に示す温度の時間変化のデータを用いて、比較例の造形体A5、第1の実施例の造形体B5、および、第2の実施例の造形体C5のそれぞれについて求めた熱収縮差を示している。図7に示すように、比較的大きなクラックCr1が2つ確認された比較例の造形体A5は、熱収縮差が1.55μmとなった。一方、比較例の造形体A5に比べクラックの数や大きさが小さい第1の実施例の造形体A5は、熱収縮差が比較例の造形体A5の熱収縮差より小さい0.90μmとなることが明らかとなった。また、クラックが確認されなかった第2の実施例の造形体C5では、熱収縮差は、0.29μmとなることが明らかとなった。すなわち、第1の実施例と第2の実施例についての評価結果から、第2造形層を形成するとき、第1造形層を加熱することで、クラックの数や大きさを小さくできることが明らかとなった。特に、本実施形態の条件(直方体形状の造形体、第1造形層:高速度工具鋼、第2造形層:マルエージング鋼)では、第1造形層と第2造形層との熱収縮差が0.3μm以下になるように第1造形層を200℃に加熱すること(第2の実施例)で、第1造形層にクラックが発生することを抑制できることが確認された。 FIG. 7 is a diagram for explaining the difference in thermal contraction difference between shaped bodies. FIG. 7 is obtained for each of the shaped body A5 of the comparative example, the shaped body B5 of the first example, and the shaped body C5 of the second example using the temperature change data shown in FIG. It shows the difference in heat shrinkage. As shown in FIG. 7, the molded body A5 of the comparative example in which two relatively large cracks Cr1 were confirmed had a thermal shrinkage difference of 1.55 μm. On the other hand, the molded body A5 of the first example, which has smaller number and size of cracks than the molded body A5 of the comparative example, has a thermal shrinkage difference of 0.90 μm, which is smaller than the thermal shrinkage difference of the molded body A5 of the comparative example. It became clear. In addition, it was found that the thermal shrinkage difference was 0.29 μm in the modeled body C5 of the second example in which no cracks were observed. That is, from the evaluation results of the first example and the second example, it is clear that the number and size of cracks can be reduced by heating the first modeling layer when forming the second modeling layer. became. In particular, under the conditions of the present embodiment (rectangular parallelepiped modeled body, first modeled layer: high-speed tool steel, second modeled layer: maraging steel), the difference in heat shrinkage between the first modeled layer and the second modeled layer is It was confirmed that by heating the first modeling layer to 200° C. so that the thickness becomes 0.3 μm or less (second example), the occurrence of cracks in the first modeling layer can be suppressed.
図8は、比較例の造形体A5の製造方法を説明する第1の図である。比較例の造形体A5では、上述したように、第2造形層A8を形成するとき、第1造形層A7の温度は調整されていないため、比較的低温となっている。したがって、比較的低温の第1造形層A7の上に、レーザ光のエネルギによって高温となっている第2造形層A8が形成されることとなる。 FIG. 8 is the first diagram for explaining the manufacturing method of the modeled body A5 of the comparative example. In the modeled body A5 of the comparative example, as described above, when the second modeled layer A8 is formed, the temperature of the first modeled layer A7 is not adjusted, so the temperature is relatively low. Therefore, the second modeling layer A8 heated to a high temperature by the energy of the laser light is formed on the first modeling layer A7 having a relatively low temperature.
図9は、比較例の造形体A5の製造方法を説明する第2の図であって、第2造形層A8を形成した後の造形体A5を示している。第2造形層A8が形成されて造形体A5が完成したのち、造形体A5全体の温度は低下するため、高温となっている第2造形層A8は、温度変化によって比較的大きく収縮する(図9の白抜き矢印F1参照)。一方、第2造形層A8に隣接する第1造形層A7は、比較的低温であったため、温度変化による収縮量が比較的小さい。このため、第2造形層A8の収縮歪みによる応力が発生し、第1造形層A7にクラックCr1が多数発生する。クラックCr1が発生すると、造形体A5の強度が低下し、破損するおそれがある。 FIG. 9 is a second diagram for explaining the manufacturing method of the modeled body A5 of the comparative example, and shows the modeled body A5 after forming the second modeling layer A8. After the second modeling layer A8 is formed and the modeling body A5 is completed, the temperature of the entire modeling body A5 drops, so the second modeling layer A8, which is at a high temperature, shrinks relatively greatly due to the temperature change (Fig. 9 white arrow F1). On the other hand, since the first modeling layer A7 adjacent to the second modeling layer A8 was at a relatively low temperature, the amount of shrinkage due to temperature change was relatively small. For this reason, stress due to contraction strain of the second modeling layer A8 is generated, and many cracks Cr1 are generated in the first modeling layer A7. If the crack Cr1 occurs, the strength of the modeled body A5 may be reduced and the modeled body A5 may be damaged.
以上説明した、本実施形態の造形体5の製造方法によれば、基材6の上に第1造形層7を形成する第1工程の後、第2工程において第1造形層7を加熱し、第3工程において、熱膨張係数が小さい第2造形層8を加熱された第1造形層7の上に形成し、造形体5を製造する。これにより、第2造形層8が形成された後、造形体5の温度が低下するとき、第1造形層7と第2造形層8との熱収縮差が小さくなるため、第2造形層8の収縮歪みによって第1造形層7で発生するクラックの数を低減することができる。したがって、クラックによる造形体5の強度低下を抑制することができる。
According to the method for manufacturing the modeled
また、本実施形態の造形体5の製造方法によれば、第3工程では、マルエージング鋼の粉末に照射されるレーザ光Lzの強度を、第1工程において高速度工具鋼の粉末に照射されるレーザ光Lzの強度より小さくする。これにより、第2造形層8が高温になりにくいため、第2造形層8を形成しているときの第1造形層7の温度と第2造形層8の温度との差を小さくすることができる。したがって、造形体5の温度が低下したときの第1造形層7と第2造形層8との熱収縮差が小さくなるため、クラックによる造形体5の強度低下を抑制することができる。
Further, according to the method for manufacturing the shaped
また、本実施形態の造形装置1によれば、ヒータ21によって、溶融した高速度工具鋼の粉末が凝固して形成される第1造形層7を加熱することができる。これにより、造形体5を製造するとき、加熱された第1造形層7の上で、マルエージング鋼の粉末を溶融し凝固させて第2造形層8を形成することで、第1造形層7と第2造形層8との間での熱膨張係数の違いによって生じる熱収縮差を小さくすることができる。したがって、第2造形層8の収縮歪みによって第1造形層7に発生するクラックの数を低減することができるため、造形体5の強度低下を抑制することができる。
Further, according to the modeling apparatus 1 of the present embodiment, the
<第2実施形態>
図10は、第2実施形態の造形装置での造形体の製造方法を説明する図である。第2実施形態の造形体の製造方法は、第1実施形態の造形体の製造方法(図2)と比較すると、第1造形層の厚みに応じて、第1造形層の特性を変化させる点が異なる。
<Second embodiment>
10A and 10B are diagrams for explaining a method of manufacturing a modeled object in the modeling apparatus of the second embodiment. Compared to the method of manufacturing the shaped body of the first embodiment (FIG. 2), the method of manufacturing the shaped body of the second embodiment changes the characteristics of the first shaped layer according to the thickness of the first shaped layer. is different.
本実施形態の造形装置2は、レーザ出射部10と、ベースプレート20と、原料供給部32と、ノズル部40と、制御部50と、を備える。
The
原料供給部32は、ノズル部40に複数種の金属粉末Mを供給する。原料供給部32は、制御部50と電気的に接続されており、制御部50が出力する指令に応じて、ノズル部40に供給される金属粉末Mの種類や量、供給タイミングを調整する。本実施形態では、原料供給部32は、制御部50の指令に応じて、高速度工具鋼の粉末とマルエージング鋼の粉末とを混合した混合粉末をノズル部40に供給することが可能である。原料供給部32は、特許請求の範囲の「粉末供給部」に相当する。
The raw
次に、本実施形態の造形体5の製造方法を説明する。本実施形態の造形体5の製造方法では、第1造形層7を形成する第1工程において、最初に、第1造形層7のうちの基材6側の第1層71を形成する(第1層形成工程)。制御部50は、レーザ出射部10を制御して、ベースプレート20の表面20a上に配置されている基材6の表面60にレーザ光Lzを照射させつつ、原料供給部31を制御して、高速度工具鋼の粉末を供給する。これにより、基材6の表面60の上に、高速度工具鋼から形成される第1層71が形成される。
Next, a method for manufacturing the modeled
次に、第1造形層7のうちの第2造形層8側となる第2層72を形成する(第2層形成工程)。制御部50は、レーザ出射部10を制御して、第1層71の表面にレーザ光Lzを照射させつつ、原料供給部31を制御して、高速度工具鋼の粉末とマルエージング鋼の粉末とを混合した混合粉末を供給する。本実施形態では、第2層72を形成するとき、最初は、マルエージング鋼の粉末よりも高速度工具鋼の粉末の割合が多い混合粉末を供給して、第2層72の一部を形成する。その後、第2層72の厚みが厚くなるにしたがって、混合粉末における高速度工具鋼の粉末の割合を小さくし、マルエージング鋼の粉末の割合を大きくした混合粉末を供給する。これにより、第2層72は、第1層71側に、第1層71の特性に近い部分が形成され、第2層72側に、第2造形層8の特性に近い部分が形成される。
Next, a
次に、第1実施形態と同様に、ヒータ21によって第1造形層7を加熱しつつ、第2層72の表面に第2造形層8を形成する。これにより、第1造形層7の表面70の上に、第2造形層8が形成され、造形体5が製造される。
Next, while heating the
以上説明した、本実施形態の造形体5の製造方法によれば、第1工程の第1層形成工程では、基材6上に第1層71を形成し、第1工程の第2層形成工程では、第1層71の上に、熱膨張係数が、第2造形層8より大きく、かつ、第1層71より小さい第2層72を形成する。その後、第3工程では、第2層72の上に、第2造形層8を形成する。これにより、第1造形層7の第2造形層側と、第2造形層8との熱収縮差とをさらに小さくすることができるため、造形体5の温度が低下したときの第2造形層8の収縮歪みによって第1造形層7で発生するクラックの数をさらに低減することができる。したがって、クラックによる造形体5の強度低下をさらに抑制することができる。
According to the method for manufacturing the modeled
また、本実施形態の造形体5の製造方法によれば、第2層72を形成するとき、高速度工具鋼の粉末とマルエージング鋼の粉末との混合粉末を溶融し凝固させる。これにより、熱膨張係数が、第2造形層8より大きく、かつ、第1層71より小さい第2層72を容易に形成することができる。したがって、第1造形層7の第2造形層側と、第2造形層8との熱収縮差とを容易に小さくすることができるため、クラックによる造形体5の強度低下を容易に抑制することができる。
Further, according to the method for manufacturing the shaped
また、本実施形態の造形体5の製造方法によれば、第2層72を形成するとき、第2層72の厚みが厚くなるにしたがって高速度工具鋼の粉末の含有率が小さくなる混合粉末を溶融し凝固させる。これにより、第1造形層7の特性を、基材6側から第2造形層8側にかけて、第2造形層8の特性に徐々に近づけることができる。したがって、造形体5の温度が低下したときの第2造形層8の収縮歪みによる応力を緩和しやすくなるため、クラックが発生しにくくなり、造形体5の強度低下をさらに抑制することができる。
Further, according to the method for manufacturing the shaped
<本実施形態の変形例>
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
<Modification of this embodiment>
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various aspects without departing from the scope of the invention. For example, the following modifications are possible.
[変形例1]
第1実施形態では、第2造形層8を形成するとき、「造形層加熱部」としてのヒータ21によって、基材6ごと第1造形層7を加熱するとしたが、第1造形層7だけ加熱されてもよい。この場合、例えば、第1造形層7のみを加熱可能なヒートガンによって加熱してもよく、加熱の方法は、これらに限定されない。
[Modification 1]
In the first embodiment, when the
[変形例2]
上述の実施形態では、「第2工程」として第1造形層7を加熱しつつ、「第3工程」として第2造形層8を形成するとしたが、第1造形層7を加熱するタイミングは、これに限定されない。第2造形層8を形成するとき、第1造形層7の温度が上昇していればよく、例えば、「第3工程」として第2造形層8を形成する前に、「第2工程」として第1造形層7を加熱してもよい。
[Modification 2]
In the above-described embodiment, while the
[変形例3]
上述の実施形態では、第1造形層7を形成する高速度工具鋼の粉末と、第2造形層8を形成するマルエージング鋼の粉末とのそれぞれを、レーザ光Lzによって加熱するとした。金属粉末の加熱の方法は、これに限定されない。また、レーザ光Lzの強度は、第1工程と第3工程とのそれぞれで同じであってもよいし、第3工程の方が第1工程に比べ大きくてもよい。
[Modification 3]
In the above-described embodiment, the high-speed tool steel powder forming the
[変形例4]
第2実施形態では、第2層72を形成するとき、高速度工具鋼の粉末とマルエージング鋼の粉末との混合粉末を供給するとした。第2層72を形成するとき、熱膨張係数が、第2造形層8より大きく、かつ、第1層71より小さい金属の粉末を供給してもよい。
[Modification 4]
In the second embodiment, when forming the
[変形例5]
第2実施形態では、第2層72を形成するとき、第2層72の厚みが厚くなるにしたがって高速度工具鋼の粉末の含有率が小さくなる混合粉末を溶融し凝固させるとした。例えば、高速度工具鋼の粉末とマルエージング鋼の粉末の含有率がそれぞれ50%の混合粉末を溶融し凝固させて、第2層72を形成してもよい。
[Modification 5]
In the second embodiment, when the
[変形例6]
上述の実施形態では、基材6は、鉄系材料であるマルエージング鋼から形成されているとした。基材6は、別の鉄系材料から形成されていてもよいし、鉄系材料とは異なる材料から形成されていてもよい。
[Modification 6]
In the above-described embodiments, the
[変形例7]
上述の実施形態では、造形体5は、基材6と、第1造形層7と、第2造形層8とを備えるとした。造形体5の構成は、これに限定されない。基材6は、なくてもよく、ベースプレート20の上に、第1造形層7と、第2造形層8と、を積層してもよい。また、造形体5が備える造形層の数は2つに限定されず、3つ以上であってもよい。この場合、溶融した金属粉末が載せられている造形層が加熱されることで高温となっていればよい。また、基材6は、造形体5の製造方法とは異なる方法で製造された部材、または、指向性エネルギ堆積方式によって金属粉末から形成された既造形体であってもよいとしたが、複数の層が積層されて構成されていてもよい。
[Modification 7]
In the above-described embodiment, the modeled
[変形例8]
上述の実施形態では、造形体の製造方法は、指向性エネルギ堆積方式による製造方法であるとしたが、造形体の製造方法は、これに限定されない。基材の表面に、第2造形層を形成したのち、第2造形層の上に、第1造形層を積層させて造形体を造形する方法であればよい。
[Modification 8]
In the above-described embodiment, the manufacturing method of the shaped body is the manufacturing method by the directional energy deposition method, but the manufacturing method of the shaped body is not limited to this. Any method may be used as long as it forms the second modeling layer on the surface of the substrate, and then laminates the first modeling layer on the second modeling layer to model the modeled body.
[変形例9]
上述の実施形態では、第3工程では、マルエージング鋼の粉末に照射されるレーザ光Lzの強度を、第1工程において高速度工具鋼の粉末に照射されるレーザ光Lzの強度より小さくするとした。さらに、第2造形層8を形成するとき、マルエージング鋼の粉末の供給量を少なくし、第2造形層8の成形速度を抑制しても、クラックの発生を抑制することができる。
[Modification 9]
In the above-described embodiment, in the third step, the intensity of the laser beam Lz irradiated to the powder of the maraging steel is made smaller than the intensity of the laser beam Lz irradiated to the powder of the high-speed tool steel in the first step. . Furthermore, when the
[変形例10]
第1実施形態の図3~図7において説明したように、第2造形層C8を形成するときの第1造形層C7の温度を200℃にすること(第2の実施例)で、第1造形層C7にクラックが発生することを抑制できることが確認した。一方で、第2造形層B8を形成するときの第1造形層B7の温度を100℃とした第1の実施例のように、第2造形層を形成するときに、第1造形層を一定程度加熱することで、熱収縮差が比較例の造形体よりも小さくなる(図7参照)。これにより、比較例の造形体A5よりもクラックの数や大きさを小さくすることができる。すなわち、第2造形層を形成するときの第1造形層を加熱することで、第1造形層と第2造形層との熱収縮差は小さくなるため、クラックの数や大きさが小さくなり、造形体の強度低下を抑制することができる。
[Modification 10]
As described in FIGS. 3 to 7 of the first embodiment, by setting the temperature of the first modeling layer C7 to 200° C. when forming the second modeling layer C8 (second example), the first It was confirmed that it is possible to suppress the occurrence of cracks in the modeling layer C7. On the other hand, as in the first embodiment in which the temperature of the first modeling layer B7 when forming the second modeling layer B8 was set to 100° C., the temperature of the first modeling layer was kept constant when the second modeling layer was formed. By heating to a certain degree, the difference in thermal shrinkage becomes smaller than that of the shaped body of the comparative example (see FIG. 7). As a result, the number and size of cracks can be made smaller than those of the molded body A5 of the comparative example. That is, by heating the first modeling layer when forming the second modeling layer, the difference in thermal contraction between the first modeling layer and the second modeling layer is reduced, so the number and size of cracks are reduced. A decrease in the strength of the shaped body can be suppressed.
以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。 The present aspect has been described above based on the embodiments and modifications, but the above-described embodiments are intended to facilitate understanding of the present aspect, and do not limit the present aspect. This aspect may be modified and modified without departing from its spirit and scope of the claims, and this aspect includes equivalents thereof. Also, if the technical features are not described as essential in this specification, they can be deleted as appropriate.
1,2…造形装置
5…造形体
6…基材
7…第1造形層
8…第2造形層
10…レーザ出射部
21…ヒータ
31,32…原料供給部
71…第1層
72…第2層
Lz…レーザ光
M…金属粉末
DESCRIPTION OF
Claims (6)
第1の金属粉末を溶融し凝固させることで、基材の上に第1造形層を形成する第1工程と、
前記第1造形層を加熱する第2工程と、
前記第1造形層よりも熱膨張係数が小さい第2造形層を形成する第3工程であって、第2の金属粉末を溶融し凝固させることで、加熱された前記第1造形層の上に前記第2造形層を形成する第3工程と、を備える、
造形体の製造方法。 A method for manufacturing a modeled body by laminating modeling layers containing metal, comprising:
a first step of forming a first modeling layer on the substrate by melting and solidifying the first metal powder;
a second step of heating the first modeling layer;
A third step of forming a second modeling layer having a coefficient of thermal expansion smaller than that of the first modeling layer, wherein a second metal powder is melted and solidified to form a and a third step of forming the second modeling layer.
A method for manufacturing a shaped body.
前記第1工程では、前記第1の金属粉末にレーザ光を照射することで、前記第1の金属粉末を溶融し、
前記第3工程では、前記第1工程において前記第1の金属粉末に照射されるレーザ光よりも強度が小さいレーザ光を前記第2の金属粉末に照射することで、前記第2の金属粉末を溶融する、
造形体の製造方法。 A method for manufacturing a shaped body according to claim 1,
In the first step, the first metal powder is melted by irradiating the first metal powder with a laser beam,
In the third step, the second metal powder is irradiated with a laser beam having a lower intensity than the laser beam with which the first metal powder is irradiated in the first step. melt,
A method for manufacturing a shaped body.
前記第1工程は、
前記基材上に前記第1造形層の第1層を形成する第1層形成工程と、
前記第1造形層の第2層を前記第1層の上に形成する第2層形成工程であって、熱膨張係数が、前記第2造形層より大きく、かつ、前記第1層より小さい前記第2層を形成する第2層形成工程と、を含み、
前記第3工程では、前記第2層の上に、前記第2造形層を形成する、
造形体の製造方法。 A method for manufacturing a shaped body according to claim 1 or claim 2,
The first step is
a first layer forming step of forming a first layer of the first modeling layer on the base material;
A second layer forming step of forming a second layer of the first modeling layer on the first layer, wherein a coefficient of thermal expansion is larger than that of the second modeling layer and smaller than that of the first layer. a second layer forming step of forming a second layer,
In the third step, the second modeling layer is formed on the second layer,
A method for manufacturing a shaped body.
前記第2層形成工程では、前記第1の金属粉末と前記第2の金属粉末との混合粉末を溶融し凝固することで、前記第2層を形成する、
造形体の製造方法。 A method for manufacturing a shaped body according to claim 3,
In the second layer forming step, the second layer is formed by melting and solidifying a mixed powder of the first metal powder and the second metal powder.
A method for manufacturing a shaped body.
前記第2層形成工程では、前記第2層の厚みが厚くなるにしたがって前記第1の金属粉末の含有率が小さくなる前記混合粉末を溶融し凝固することで、前記第2層を形成する、
造形体の製造方法。 A method for manufacturing a shaped body according to claim 4,
In the second layer forming step, the second layer is formed by melting and solidifying the mixed powder in which the content of the first metal powder decreases as the thickness of the second layer increases.
A method for manufacturing a shaped body.
複数種の金属粉末を基材の上に供給する粉末供給部と、
前記基材の上の金属粉末を加熱し溶融させる粉末加熱部と、
溶融した金属粉末が凝固して形成される造形層を加熱する造形層加熱部と、を備える、
造形装置。 A modeling apparatus for manufacturing a modeled body by stacking modeling layers containing metal,
a powder supply unit that supplies a plurality of types of metal powders onto a substrate;
a powder heating unit that heats and melts the metal powder on the substrate;
a modeling layer heating unit that heats a modeling layer formed by solidifying the molten metal powder;
molding device.
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